(57)【要約】【課題】書込み電流が高いことを解消でき、しかも、読出し電流の値を大きくし得るスピン注入型磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】スピン注入型磁気抵抗効果素子は、（Ａ）第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂを有し、情報を記憶する磁化反転層２０、（Ｂ）磁化反転層２０の一端に、第１の非磁性膜３１を介して配置され、第１の方向に磁化された第１の磁化参照層３２、（Ｃ）磁化反転層２０の他端に、第２の非磁性膜４１を介して配置され、第１の方向とは反対方向の第２の方向に磁化された第２の磁化参照層４２、（Ｄ）第１の磁化参照層３２に電気的に接続された第１の電極３４、（Ｅ）第２の磁化参照層４２に電気的に接続された第２の電極４４、並びに、（Ｆ）磁化反転層２０の第２面２０Ｂと対向して、絶縁膜５０を介して配置された第３の電極５１を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）第１面、及び、該第１面と対向する第２面を有し、情報を記憶する磁化反転層、
（Ｂ）磁化反転層の一端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の非磁性膜を介して配置され、第１の方向に磁化された第１の磁化参照層、
（Ｃ）磁化反転層の他端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の磁化参照層と離間して、第２の非磁性膜を介して配置され、第１の方向とは反対方向の第２の方向に磁化された第２の磁化参照層、
（Ｄ）第１の磁化参照層に電気的に接続された第１の電極、
（Ｅ）第２の磁化参照層に電気的に接続された第２の電極、並びに、
（Ｆ）磁化反転層の第２面と対向して、絶縁膜を介して配置された第３の電極、
を備えていることを特徴とするスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
第１の電極あるいは第２の電極から、第１の磁化参照層あるいは第２の磁化参照層を介して、偏極スピン電流を磁化反転層内に注入することにより、磁化反転層における磁化の方向を第１の方向あるいは第２の方向とすることで、磁化反転層に情報が書き込まれることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
第１の電極と第２の電極との間に流す電流の方向によって、磁化反転層に書き込まれる情報の値が制御されることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化反転層に情報を書き込むとき、第３の電極には電圧が印加されることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
磁化反転層に情報を書き込むとき、磁化反転層は接地されていることを特徴とする請求項４に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
第１の磁化参照層、第１の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造が構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
第２の磁化参照層、第２の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＧＭＲ効果を有する積層構造が構成されていることを特徴とする請求項６に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
第１の磁化参照層と第１の電極との間には、第１の反強磁性層が形成されており、
第２の磁化参照層と第２の電極との間には、第２の反強磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方は、積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方は、静磁結合構造を有することを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
第１の磁化参照層は積層フェリ構造を有し、第２の磁化参照層は積層フェロ構造を有することを特徴とする請求項１に記載のスピン注入型磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入型磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性磁気メモリ素子として、高速、高集積化、低消費電力のＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が知られている（例えば、米国特許第６０８１４４５号参照）。ＴＭＲ（Tunnel Magnetoresistance，トンネル磁気抵抗）効果を用いたこのＭＲＡＭは、ＭＯＳ型ＦＥＴから成る選択用トランジスタに接続されたトンネル磁気抵抗素子から構成されている。そして、トンネル磁気抵抗素子の上方にはビット線が設けられ、トンネル磁気抵抗素子の下方には、ビット線と直交する方向に延びる書込みワード線が設けられている。ここで、トンネル磁気抵抗素子は、下から反強磁性層、磁化固定層（固着層とも呼ばれる）、トンネル絶縁膜、磁化方向が比較的容易に回転する記録層（自由層とも呼ばれる）の積層構造を有する。そして、このような構成のＭＲＡＭへの情報（データ）の書込みにおいては、ビット線に正方向あるいは負方向の電流を流し、且つ、書込みワード線に一定方向の電流を流し、その結果生成される合成磁界によって記録層の磁化の方向を変えることで、記録層に「１」又は「０」を記録する。
【０００３】
このようなＴＭＲ効果を用いたＭＲＡＭにあっては、電流磁界による磁化反転が生じるが、トンネル磁気抵抗素子のサイズ縮小にほぼ反比例して、磁化反転に必要とされる電流が増加する。従って、大容量の不揮発性磁気メモリ素子アレイを構築する場合、消費電流が大きくなるといった問題を内在している。
【０００４】
スピン注入磁化反転は、電流磁界によらない、新たな低消費電力の磁化反転（磁気的情報書込み）手法である（例えば、米国特許第６７１４４４４号参照）。スピン注入磁化反転にあっては、不揮発性磁気メモリ素子等の磁性体素子のサイズが小さくなるほど、磁化反転に必要とされる電流が減少する。従って、ギガビット級といった不揮発性磁気メモリ素子アレイの大容量化に好適である。
【０００５】
スピン注入磁化反転を適用した従来の不揮発性磁気メモリ素子の概念図を図１１の（Ａ）に示す。この不揮発性磁気メモリ素子は、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistance，巨大磁気抵抗）効果を有する積層膜、あるいは、ＴＭＲ効果を有する積層膜から成る磁気抵抗効果積層膜が２つの電極４０１，４０５で挟まれた構造を有する。即ち、情報を記録する機能を担う磁化反転層（自由層とも呼ばれる）４０４と、磁化方向が固定されており、スピンフィルターとして機能する磁化参照層（固着層とも呼ばれる）４０２が、非磁性膜４０３を介して積層された構造を有し、電流は膜面に垂直に流れる（図１１の（Ａ）参照）。磁化反転層４０４の大きさは、模式的な平面図を図１１の（Ｂ）に示すが、磁化反転層４０４を構成する磁性材料の種類や膜厚に依るが、単磁区化を促進し、且つ、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉcを低減するため、概ね２００ｎｍ以下である。磁化反転層４０４は、適当な磁気異方性により２以上の複数の磁化方向（例えば、図１１の（Ａ）に水平方向の矢印にて示す２方向）を取ることができ、各磁化方向は記録される情報に対応する。図１１の（Ｂ）においては、磁化反転層４０４の平面形状を長楕円形状にすることによって、形状磁気異方性を付与した例を示す。磁化参照層４０２は、通例、反強磁性層４０６との交換結合により、その磁化方向が固定されている（図１１の（Ｃ）参照）。磁化参照層４０２Ａ，４０２Ｂを、磁化反転層４０４の上下に、非磁性膜４０３Ａ，４０３Ｂを介して配置して、スピン注入磁化反転の効率を向上させたダブル・スピンフィルター構造も知られている（図１１の（Ｄ）参照）。ここで、参照番号４０６Ａ，４０６Ｂは、反強磁性層である。尚、図１１の（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示した例においては、磁化反転層４０４、磁化参照層４０２（磁化参照層が２層４０２Ａ，４０２Ｂの場合には、いずれか一方の層）を、積層フェリ構造としてもよい。非磁性膜４０３，４０３Ａ，４０３Ｂは、金属材料あるいは絶縁材料から構成されている。図１１の（Ａ）あるいは、図１１の（Ｃ）に示す構造において、磁化参照層４０２から磁化反転層４０４への漏洩磁界を抑制するために、即ち、磁化参照層４０２と磁化反転層４０４とが静磁気的に結合することを防ぐために、磁化参照層４０２を磁化反転層４０４に比して十分大きくする構造も採用されている。いずれにしても、従来のスピン注入磁化反転を適用した不揮発性磁気メモリ素子は、磁気抵抗効果積層膜の上下を電極で挟んだ、２端子スピントランスファー素子構造を有する。
【０００６】
ところで、ギガビット級の大容量の不揮発性磁気メモリ素子アレイにおいて使用されるメモリセル選択用のＣＭＯＳ−ＦＥＴのゲート電極や各種配線の幅は１００ｎｍ以下であり、このようなゲート電極や各種配線に流すことのできる電流は、約１００μＡ以下に制限される。従って、スピン注入磁化反転による磁性体素子への情報書込みの際の書込み電流を、数十μＡ程度にしなければならない。しかしながら、現状では、スピン注入磁化反転の臨界電流（書込み電流）Ｉcは数百μＡ〜数ｍＡのオーダーであり、スピン注入磁化反転を実際の不揮発性磁気メモリ素子アレイに適用する場合の障害となっている。
【０００７】
尚、スピン注入磁化反転の臨界電流（書込み電流）Ｉc［以下、単に、臨界電流Ｉcと呼ぶ場合がある］は、情報の書込み時間（即ち、パルス電流幅）に依存する。一般に、情報の書込み時間が長いほど、臨界電流Ｉcの値は小さくてよい。ところで、実用的なＭＲＡＭにあっては、書込み時間がナノ秒オーダーであることが要求されるが故に、以下の説明においては、書込み時間として１ナノ秒を想定し、その際に必要とされる臨界電流Ｉcについての議論を行う。
【０００８】
磁気モーメントが熱によって揺らぐと、確率的に磁化反転が起こり得る。従って、熱揺らぎ耐性はＭＲＡＭの信頼性に直接的にかかわる。熱揺らぎ耐性は、磁化反転層の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比
（Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ）
として表される。ここで、
Ｋu：磁化反転層の単位体積当たり磁気異方性エネルギー
Ｖ ：磁化反転層の体積
ｋB：ボルツマン定数
Ｔ ：磁化反転層の絶対温度
である。そして、一般に、
（Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ）＞４０
が必要とされる。熱的磁化反転確率は、ボルツマン分布
ｅｘｐ（−Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ）
により表すことができ、熱的磁化反転が生じる時間τは、
ｌｎ（τ／τ00）＝Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ
となる。ここで、τ0は、反転試行時間（磁化反転を１回試みる時間）であり、１ナノ秒程度である。
【０００９】
磁性体素子の基本構造（積層膜の構成）は、磁気抵抗効果膜に基づいている。磁気抵抗効果膜は、非磁性膜を介して積層された２層の磁性膜（磁化反転層及び磁化参照層）から成る。非磁性膜が導電性を有する場合にはＧＭＲ効果を有する積層構造、非磁性膜が絶縁性を有する場合には、ＴＭＲ効果を有する積層構造となる。そして、磁化反転層及び磁化参照層の２つの磁性層の磁化方向が平行であるときの磁化反転層は低抵抗を示し、反平行であるときの磁化反転層は高抵抗を示すといった現象（磁気抵抗効果）を利用し、磁性体素子に磁気情報「０」，「１」を記録する。そして、適切な電流を磁化反転層に流して磁化反転層の抵抗値変化を検出することで、磁化反転層に記憶された磁気情報を非破壊で読み出すことができる。メモリ素子にあっては、出力が大きいＴＭＲ効果を有する積層構造を用いることが望ましい。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６０８１４４５号
【特許文献２】米国特許第６７１４４４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そして、臨界電流Ｉcの低減のための様々な工夫が行われているが、熱揺らぎ耐性の低下、反転時間の増加、磁性体素子を構成する積層構造の複雑化といった問題が生じている。また、スピン注入磁化反転による情報書込みの場合、書込み電流と読出し電流との電流差が小さいと、読出し時に、誤って磁化反転層の磁化方向を反転させる危険がある。従って、このような磁性体素子における磁気情報の読出し時における誤書込みを防止するために、読出し電流は書込み電流の数分の一（１０μＡ程度）にすることが求められる。その結果、磁気情報「０」，「１」に対応する磁性体素子の出力電圧差（磁化反転層の抵抗値変化×読出し電流）が小さくなり、高いＳ／Ｎ比を得ることが困難となる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉcが数百μＡ〜数ｍＡ台といった高い値であるといった従来の問題点を解消することができ、しかも、読出し電流の値を大きくし得るスピン注入型磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子は、
（Ａ）第１面、及び、該第１面と対向する第２面を有し、情報を記憶する磁化反転層（自由層とも呼ばれる）、
（Ｂ）磁化反転層の一端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の非磁性膜を介して配置され、第１の方向に磁化された第１の磁化参照層（固着層とも呼ばれる）、
（Ｃ）磁化反転層の他端に、磁化反転層の第１面と対向して、第１の磁化参照層と離間して、第２の非磁性膜を介して配置され、第１の方向とは反対方向の第２の方向に磁化された第２の磁化参照層、
（Ｄ）第１の磁化参照層に電気的に接続された第１の電極、
（Ｅ）第２の磁化参照層に電気的に接続された第２の電極、並びに、
（Ｆ）磁化反転層の第２面と対向して、絶縁膜を介して配置された第３の電極、
を備えていることを特徴とする。即ち、本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子は、３端子スピントランスファー素子構造を有する。
【００１４】
本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、第１の電極あるいは第２の電極から、第１の磁化参照層あるいは第２の磁化参照層を介して、偏極スピン電流を磁化反転層内に注入することにより、磁化反転層における磁化の方向を第１の方向あるいは第２の方向とすることで、磁化反転層に情報が書き込まれる構成とすることが好ましい。そして、この場合、第１の電極と第２の電極との間に流す電流の方向によって、磁化反転層に書き込まれる情報の値が制御される。あるいは又、この場合、磁化反転層に情報を書き込むとき、第３の電極には電圧が印加される構成とすることが好ましく、更には、この場合、限定するものではないが、磁化反転層に情報を書き込むとき、磁化反転層は接地されている構成とすることが望ましい。
【００１５】
また、以上の好ましい形態を含む本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、第１の磁化参照層、第１の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造が構成されている構造とすることができ、限定するものではないが、この場合、更には、第２の磁化参照層、第２の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＧＭＲ効果を有する積層構造が構成されている構造とすることができる。
【００１６】
更には、以上の好ましい形態を含む本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、第１の磁化参照層と第１の電極との間には第１の反強磁性層が形成されており、第２の磁化参照層と第２の電極との間には第２の反強磁性層が形成されている構成とすることができるし、あるいは又、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方は、積層フェリ構造（反強磁性的結合を有する積層構造）を有する構成とすることができるし、あるいは又、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方は、静磁結合構造を有する構成とすることができるし、あるいは又、第１の磁化参照層は積層フェリ構造を有し、第２の磁化参照層は積層フェロ構造（強磁性的結合を有する積層構造）を有する構成とすることができる。
【００１７】
第１の磁化参照層、第１の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造が構成されるとは、磁性材料から成る第１の磁化参照層と、磁性材料から成る磁化反転層との間に、トンネル絶縁膜として機能する第１の非磁性膜が挟まれた構造を指す。一方、第２の磁化参照層、第２の非磁性膜、及び、磁化反転層によって、ＧＭＲ効果を有する積層構造が構成されるとは、磁性材料から成る第１の磁化参照層と、磁性材料から成る磁化反転層との間に、導電材料から成る第２の非磁性膜が挟まれた構造を指す。
【００１８】
積層フェリ構造とは、例えば、磁性材料層／ルテニウム（Ｒｕ）層／磁性材料層の３層構造を有し、ルテニウム層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指す。尚、２つの磁性材料層の層間交換結合が強磁性的になる構造を、積層フェロ構造と呼ぶ。また、２つの磁性材料層において、磁性材料層の端面からの漏洩磁界によって反強磁性的結合が得られる構造を、静磁結合構造と呼ぶ。
【００１９】
本発明において、磁化反転層、第１の磁化参照層、あるいは、第２の磁化参照層を構成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料、これらの強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）、これらの合金に非磁性元素（例えば、タンタル、ホウ素、クロム、白金、シリコン、炭素、窒素等）を混ぜた合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等）、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物（例えば、フェライト：Ｆｅ−ＭｎＯ等）、ハーフメタリック強磁性材料と呼ばれる一群の金属間化合物（ホイスラー合金：ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅ、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＣｒＡｌ等）、酸化物（例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4等）を挙げることができる。磁化反転層、第１の磁化参照層、あるいは、第２の磁化参照層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。更には、各種磁性半導体の使用も可能であるし、軟磁性（ソフト膜）であっても硬磁性（ハード膜）であってもよい。
【００２０】
ＴＭＲ効果を有する積層構造を構成する第１の非磁性膜を構成する材料として、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＴｉＯ2あるいはＣｒ2Ｏ3、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＢＮ、ＺｎＳ等の絶縁材料を挙げることができる。一方、ＧＭＲ効果を有する積層構造を構成する第２の非磁性膜を構成する材料として、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ等、あるいは、これらの合金といった導電性材料を挙げることができるし、導電性が高ければ（抵抗率が数百μΩ・ｃｍ以下）、任意の非金属材料としてもよいが、磁化反転層や第２の磁化参照層と界面反応を起こし難い材料を、適宜、選択することが望ましい。尚、第２の磁化参照層／第２の非磁性膜／磁化反転層から成る積層構造は、必ずしもＧＭＲ効果を発現する必要はない。更には、絶縁膜を構成する材料として、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＴｉＯ2あるいはＣｒ2Ｏ3等の絶縁材料を挙げることができるし、その他、ＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム、比誘電率は約２９００）、ＳｒＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3といった強誘電体材料を用いることもできる。誘電率が高いほど、多くの静電エネルギーを蓄えることができるため、第３の電極への電圧印加により磁化反転層の面内磁気異方性を弱める効果が高く、従って、電圧アシストにより書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）の低減を図るといった観点から、強誘電体材料は好ましい絶縁材料である。
【００２１】
第１の電極、第２の電極、第３の電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。第１の反強磁性層及び第２の反強磁性層を構成する材料として、鉄−マンガン合金、ニッケル−マンガン合金、白金−マンガン合金、イリジウム−マンガン合金、ロジウム−マンガン合金、コバルト酸化物、ニッケル酸化物を挙げることができる。第１の磁化参照層と第１の電極の電気的な接続状態として、第１の電極が、直接、第１の磁化参照層に接続されている形態、第１の電極が、第１の反強磁性層を介して、第１の磁化参照層に接続されている形態を挙げることができる。一方、第２の磁化参照層と第２の電極の電気的な接続状態として、同様に、第２の電極が、直接、第２の磁化参照層に接続されている形態、第２の電極が、第２の反強磁性層を介して、第２の磁化参照層に接続されている形態を挙げることができる。第１の電極と第１の反強磁性層との間、第２の電極と第２の反強磁性層との間には、第１の反強磁性層や第２の反強磁性層の結晶性向上のために、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ等から成る下地膜を形成してもよい。
【００２２】
これらの層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表されるＣＶＤ法にて形成することができる。
【００２３】
また、第１の非磁性膜は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、第１の非磁性膜を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。
【００２４】
本発明におけるスピン注入型磁気抵抗効果素子として、ＭＲＡＭだけでなく、電流センサー、電圧センサーを挙げることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子は、従来の２端子スピントランスファー素子構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子とは異なり、３端子スピントランスファー素子構造を有する。そして、磁化反転層に情報を書き込むとき、第３の電極に電圧を印加すれば、磁化反転層と絶縁膜との界面近傍における電子分布が変化する結果、絶縁膜との界面近傍における磁化反転層には面直方向（磁化反転層の厚さ方向、Ｚ軸方向であり、以下においても同じ意味に用いる）の磁気異方性が誘導され、磁化反転層の面内方向（磁化反転層の厚さ方向と垂直な方向、Ｘ−Ｙ軸方向であり、以下においても同じ意味に用いる）における磁気異方性（面内磁気異方性）が弱められるため、ナノ秒オーダーの書込み時間において、書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）を数十μＡ以下に低減することができる。これにより、超低消費電力の高速大容量（ギガビット超）の不揮発性磁気メモリ素子アレイを実現することが可能となる。また、磁気情報の読出し時における誤書込みを防止するために読出し電流を書込み電流の数分の一（１０μＡ程度）にする必要性が無くなり、読出し電流の値を書込み電流の値と独立して決定することができるので、読出し電流の値を大きく設定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子に関し、より具体的には、本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに適用する。この実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子１０は、電圧アシスト・スピン注入磁化反転とも呼べる３端子スピントランスファー素子構造を有し、図１の（Ａ）に概念図を示し、図１の（Ｂ）に磁化反転層、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の模式的な配置図を示し、図２に等価回路を示し、模式的な一部断面図を図３に示すように、
（Ａ）第１面２０Ａ、及び、この第１面２０Ａと対向する第２面２０Ｂを有し、情報を記憶する磁化反転層（自由層とも呼ばれる）２０、
（Ｂ）磁化反転層２０の一端に、磁化反転層２０の第１面２０Ａと対向して、第１の非磁性膜３１を介して配置され、第１の方向（実施例１にあっては、図面、左向き）に磁化された第１の磁化参照層（固着層とも呼ばれる）３２、
（Ｃ）磁化反転層２０の他端に、磁化反転層２０の第１面２０Ａと対向して、第１の磁化参照層３２と離間して、第２の非磁性膜４１を介して配置され、第１の方向とは反対方向の第２の方向（実施例１にあっては、図面、右向き）に磁化された第２の磁化参照層４２、
（Ｄ）第１の磁化参照層３２に電気的に接続された第１の電極３４、
（Ｅ）第２の磁化参照層４２に電気的に接続された第２の電極４４、並びに、
（Ｆ）磁化反転層２０の第２面２０Ｂと対向して、非磁性の絶縁膜５０を介して配置された第３の電極５１、
を備えている。
【００２８】
図示したスピン注入型磁気抵抗効果素子１０は、１ビットを記憶するメモリデバイスであり、スピン注入型磁気抵抗効果素子１０を構成する第２の電極４４（場合によっては、第１の電極３４）には、選択用トランジスタ１１が接続されている。
【００２９】
ここで、選択用トランジスタ１１は、シリコン半導体基板１０１に形成された、ゲート電極１０４及びソース／ドレイン領域１０５から構成されている。尚、図３中、参照番号１０２は素子分離領域を示し、参照番号１０３はゲート絶縁膜を示す。ゲート電極１０４は、ロー選択線に接続されている。選択用トランジスタ１１は、下層層間絶縁層１０６及び上層層間絶縁層１０８によって覆われており、下層層間絶縁層１０６上には、書込み／読出しコラム選択回路に接続された書込み／読出しコラム選択線が形成されている。また、選択用トランジスタ１１の一方のソース／ドレイン領域１０５は、コンタクトプラグ１０７，１０９Ａを介して第２の電極４４に接続され、書込み／読出しコラム選択線は、コンタクトプラグ１０９Ｂを介して第１の電極３４に接続されている。
【００３０】
ここで、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２（以下、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２を総称して、磁化参照層３２，４２と呼ぶ場合がある）は、偏極スピン電流の注入源（スピンフィルター）としての機能を有する。第１の磁化参照層３２の磁化固定のための第１の反強磁性層３３が、第１の磁化参照層３２と接して設けられている。また、第２の磁化参照層４２の磁化固定のための第２の反強磁性層４３が、第２の磁化参照層４２と接して設けられている。第１の電極３４は、より具体的には、第１の反強磁性層３３に接しており、第２の電極４４は、より具体的には、第２の反強磁性層４３に接している。但し、第１の電極３４を設ける位置は、第１の磁化参照層３２に電流を流し得る任意の位置とすることができ、第２の電極４４を設ける位置は、第２の磁化参照層４２に電流を流し得る任意の位置とすることができ、第１の電極３４及び第２の電極４４を、例えば、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２と接して設けてもよい。
【００３１】
実施例１にあっては、第１の電極３４から第１の磁化参照層３２を介して、あるいは、第２の電極４４から第２の磁化参照層４２を介して、偏極スピン電流を磁化反転層２０内に注入することにより、磁化反転層２０における磁化の方向を第１の方向あるいは第２の方向とすることで、磁化反転層２０に情報が書き込まれる。即ち、磁化反転層２０への情報の書き込み（磁化反転）は、スピン注入磁化反転により行われる。尚、第１の電極３４と第２の電極４４との間に流す電流の方向によって、磁化反転層２０に書き込まれる情報の値が制御される。ここで、磁化反転層２０の磁化容易軸は、磁化反転層２０の延在方向と一致している。
【００３２】
具体的には、ロー選択回路によって選択用トランジスタ１１が選択され、選択用トランジスタ１１が導通状態となり、一方、第１の電源６１から、書込み／読出しコラム選択回路を介し、更には、第１の磁化参照層３２（あるいは第２の磁化参照層４２）を介して注入された電子は、スピンフィルターとして機能する第１の磁化参照層３２（あるいは第２の磁化参照層４２）にてスピン分極され、偏極スピン電流となって磁化反転層２０へと流入する。伝導電子（ｓ電子）と磁化反転層２０におけるｄ電子間の相互作用（sd-interaction）により磁気モーメントにスピントルクが生じ、磁化反転の駆動力となる。磁化反転層２０におけるスピントルクは磁化反転層２０と第１の磁化参照層３２との界面近傍（あるいは、磁化反転層２０と第２の磁化参照層４２との界面近傍）にて生じ、第１の磁化参照層３２（あるいは第２の磁化参照層４２）の上方の磁化反転層２０の部分の磁化を反転させ、磁化反転層２０内に磁壁が生成される。そして、第１の磁化参照層３２（あるいは第２の磁化参照層４２）から磁化反転層２０に注入された偏極スピン電流はこの磁壁を押し流し、最終的に、磁化反転層２０の全ての磁化が反転する。第１の磁化参照層３２（あるいは第２の磁化参照層４２）から磁化反転層２０へと電子が流れると、磁化反転層２０の磁化方向は、第２の磁化参照層４２（あるいは第１の磁化参照層３２）の磁化方向と平行になる。従って、第１の磁化参照層３２の磁化方向と、第２の磁化参照層４２の磁化方向を逆向き（反平行）に設定することで、第１の電極３４と第２の電極４４との間に流す電流の方向を変えることによって、磁化を反転させることができる。第１の電極３４及び第２の電極４４へ印加する電圧の一例として、第１の電極３４へ印加する電圧Ｖ1＝＋１ボルト、第２の電極４４へ印加する電圧Ｖ2＝０ボルトの組合せ、及び、第１の電極３４へ印加する電圧Ｖ1＝−１ボルト、第２の電極４４へ印加する電圧Ｖ2＝０ボルトの組合せを挙げることができる。
【００３３】
更には、磁化反転層２０に情報を書き込むとき、第３の電極５１に電圧を印加することで、磁化反転層２０における磁気異方性を制御し、以て、書込み電流（スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉc）を低減することができる。
【００３４】
即ち、第３の電極５１に、磁化反転層２０への情報の書込み時、適切な電圧（例えば、−１ボルト）を第２の電源６２から印加する。ここで、磁化反転層２０は接地されている。より具体的には、磁化反転層２０は、導電性の第２の非磁性膜４１、第２の磁化参照層４２、第２の反強磁性層４３、第２の電極４４を介して、接地されている。但し、どの層あるいは膜を接地してもよい。従って、磁化反転層２０と絶縁膜５０との界面近傍の磁化反転層２０には、第３の電極５１への電圧印加により非磁性の絶縁膜５０を介して膜面垂直方向に均一な電界が加わる。その結果、磁化反転層２０と絶縁膜５０との界面近傍における電子分布が変化し、絶縁膜５０との界面近傍における磁化反転層２０には面直方向の磁気異方性が誘導され、磁化反転層２０の面内磁気異方性が弱められる結果、ナノ秒オーダーの書込み時間において、書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉc）を数十μＡ以下に低減することができる。これにより、超低消費電力の高速大容量（ギガビット超）のＭＲＡＭアレイを実現することができる。尚、磁化反転層２０への情報の書込み時、第３の電極５１に何ら電圧を印加しない場合、書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ’c）は、数百μＡ〜数ｍＡである。
【００３５】
一方、第１の電極３４と第２の電極４４との間に電流を流すことで、磁化反転層２０に記憶された情報を読み出すことができる。具体的には、ロー選択回路によって選択用トランジスタ１１が選択され、選択用トランジスタ１１が導通状態となり、一方、第１の電源６１から、書込み／読出しコラム選択回路を介して、第１の電極３４と第２の電極４４との間に電流を流すことで、磁化反転層２０の磁化方向変化に伴う第１の電極３４と第２の電極４４間の抵抗値の変化を書込み／読出しコラム選択線における電位変化に基づき測定する。これによって、磁化反転層２０に記録された情報が「０」であるか「１」であるかを判断することができる。
【００３６】
実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子１０にあっては、第３の電極５１に電圧を印加しない場合の書込み電流（スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ’c）が十分に大きい（数百μＡ〜数ｍＡ）が故に、読出し電流Ｉrに対する制限が事実上、無くなり、読出し電流Ｉrを十分に大きく取ることができる。読出し電流Ｉrを、書込み電流Ｉcと等しくすることが可能であるし、更には、書込み電流Ｉcより大きくすることも可能である。即ち、第３の電極５１に電圧を印加しない状態における書込み電流Ｉ’cが、読出し電流Ｉrの上限となる。従来の技術にあっては、書込み電流を低減すると、併せて、読出し電流も低減しなければならなかったが、本発明にあっては、このような制限は無い。更には、情報読出し時の誤書込みが無くなる。これにより、出力及びＳ／Ｎ比が向上し、ギガビット超の大容量記憶装置に必要なエラーレートを確保することができる。
【００３７】
このように、第３の電極５１を設けることによって、読出し電流と書込み電流とを、それぞれ、独立して制御することが可能となり、例えば、読出し電流と書込み電流とを同一値に設定することも可能となる。読出し電流と書込み電流を同一値とすれば、スピン注入型磁気抵抗効果素子１０の制御回路（駆動回路）及び制御ロジック回路の簡略化、面積の縮小化を図ることができる。その結果、周辺回路の削減、チップにおいて占めるメモリ部の割合を大きくすることができ、大容量化に貢献する。また、従来の技術のように、読出し電流を書込み電流の数分の一にする必要がないため、高い出力が得られる。信号出力の観点からは読出し電流は大きい方が望ましい。第１の電極３４と第２の電極４４との間に流し得る電流量は、選択用トランジスタ１１のブレークダウン電圧と、絶縁障壁膜である第１の非磁性膜３１の絶縁破壊電圧の内の、低い方によって規定される。ギガビット超の大容量化に対応した配線幅の縮小に伴い、選択用トランジスタ１１のゲート電極１０４の幅や各種配線は１００ｎｍ程度になり、この場合、選択用トランジスタ１１のブレークダウン電圧以下で流せる電流は１００μＡ以下になる。そして、これらの条件を満たすため、実施例１にあっては、書込み電流及び読出し電流を共に５０μＡとしている。
【００３８】
また、書込み電流（スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉc）を低減できるため、第３の電極５１に電圧を印加しない状態における書込み電流（スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ’c）を過剰に低減する必要がなくなる。その結果、スピン注入型磁気抵抗効果素子の設計自由度が高くなる。即ち、磁化反転層２０の体積Ｖや飽和磁化Ｍs（磁化反転層２０の単位体積当たりの磁気モーメント）の過剰な低減が不要となるため、臨界電流Ｉ’cの過剰な低減を試みたときの熱揺らぎ耐性の低下を、確実に防止することができる。また、磁化反転層２０を構成する材料の選択自由度が高くなり、例えば、飽和磁化Ｍsの高い磁性材料を用いることが可能となる。また、スピン注入磁化反転効率向上のための複雑な多層膜構造を簡略化できるので、スピン注入型磁気抵抗効果素子の製造が容易となり、スピン注入型磁気抵抗効果素子の製造歩留りも向上する。
【００３９】
尚、温度依存性を除いたスピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ’c0の制御因子は、
Ｉ’c0＝ｅ（Ｍs・Ｖ／μB）（α・γ・Ｈeff）／ｇ
と表すことができる。ここで、
ｅ   ：素電荷
μB  ：ボーア磁子
α   ：制動係数（ギルバートのダンピング係数）
γ   ：磁気ジャイロ定数
Ｈeff：有効磁界（外部磁界＋磁化容易軸方向の異方性磁界＋膜厚方向反磁界）であり、スピン注入磁化反転の効率を表す関数
ｇ   ：スピントランスファー効率の関数
である。
【００４０】
実施例１にあっては、磁化反転層２０、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２は、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性材料から構成されている。一方、第１の非磁性膜３１及び非磁性の絶縁膜５０は、ＡｌＯX、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3等の絶縁材料から構成されている。更には、第２の非磁性膜４１は、Ｃｕ、Ｒｕ等の導電性材料から構成されている。第１の電極３４、第２の電極４４、第３の電極５１は、Ｃｕ、Ａｕ等から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等の下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層等から構成されている。第１の反強磁性層３３及び第２の反強磁性層４３は、Ｍｎ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｍｎ等から成る。第１の電極３４と第１の反強磁性層３３との間、第２の電極４４と第２の反強磁性層４３との間には、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ等から成る下地膜を形成してもよい。
【００４１】
第３の電極５１は、図３に示すように、スピン注入型磁気抵抗効果素子毎に設けてもよいし、複数のスピン注入型磁気抵抗効果素子の集合体であるスピン注入型磁気抵抗効果素子アレイに共通して設けてもよい。即ち、複数のスピン注入型磁気抵抗効果素子に対して共通化された第３の電極５１を設けてもよい。尚、図２の等価回路図は、この状態を示している。第３の電極５１をスピン注入型磁気抵抗効果素子毎に設ける場合、各第３の電極５１を、スイッチング素子（例えば、ＦＥＴから成る）６３を介して第２の電源６２に接続し、磁化反転層２０への情報の書込み時、このスイッチング素子をオン状態とすることで、第３の電極５１に適切な電圧を第２の電源６２から印加すればよい。
【００４２】
ここで、実施例１にあっては、第１の非磁性膜３１を絶縁材料から構成しているが故に、第１の磁化参照層３２、第１の非磁性膜（絶縁障壁膜）３１、及び、磁化反転層２０によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造が構成されている。尚、第１の磁化参照層３２、第１の非磁性膜３１、及び、磁化反転層２０によって構成された積層構造を、便宜上、第１の積層構造と呼ぶ。従って、磁化反転層２０に記憶された情報（磁化反転層２０の磁化方向が、第１の磁化参照層３２の磁化方向と平行である情報「０」、あるいは、反平行である情報「１」）を、磁化反転層２０の抵抗値の違いとして読み取ることができる。云い換えれば、磁化反転層２０の磁化方向が第１の磁化参照層３２の磁化方向と平行であれば、磁化反転層２０は低抵抗を示し、磁化反転層２０の磁化方向が第１の磁化参照層３２の磁化方向と反平行であれば、磁化反転層２０は高抵抗を示す。また、第２の非磁性膜４１を導電性材料から構成しているが故に、場合によっては、第２の磁化参照層４２、第２の非磁性膜４１、及び、磁化反転層２０によって、ＧＭＲ効果を有する積層構造が構成されている。尚、第２の磁化参照層４２、第２の非磁性膜４１、及び、磁化反転層２０によって構成された積層構造を、便宜上、第２の積層構造と呼ぶ。第１の磁化参照層３２の磁化方向は、第２の磁化参照層４２の磁化方向と逆方向であるが故に、ＧＭＲ効果を有する第２の積層構造は、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造における抵抗値変化を打ち消す作用をする。即ち、第１の磁化参照層３２（第２の磁化参照層４２）の磁化方向と磁化反転層２０の磁化方向とが平行（反平行）である場合、第２の磁化参照層４２（第１の磁化参照層３２）の磁化方向と磁化反転層２０の磁化方向とが反平行（平行）となる。しかしながら、ＴＭＲ効果に基づく抵抗変化率（ＴＭＲ比）は数十％〜数百％であり、ＧＭＲ効果に基づく抵抗変化率（ＧＭＲ比）の数％と比較して、数十倍〜数百倍の相違があるため、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造における抵抗値変化に及ぼすＧＭＲ効果を有する第２の積層構造の影響は無視できる。ここで、第２の積層構造は、必ずしも、ＧＭＲ効果を有する積層構造として機能する必要はなく、第２の非磁性膜４１を構成する材料（例えば、タングステン）によってはＧＭＲ効果を有していない積層構造となる場合もあるが、問題はない。尚、第１の積層構造及び第２の積層構造を、どちらも、例えば、ＴＭＲ効果を有する積層構造としたのでは、第１の積層構造における抵抗値変化を第２の積層構造が打ち消してしまい、抵抗値の変化を知ることができなくなる。
【００４３】
磁化反転層２０の長さＬ1、幅Ｗは、それぞれ、例えば、１５０〜２００ｎｍ、５０ｎｍであり、厚さは数ｎｍ程度である。磁化反転層２０の面内形状に適当なアスペクト比（長軸長Ｌ1／短軸長Ｗであり、例えば３程度）を付与することによって、形状磁気異方性（一軸磁気異方性）を持たせ、また、磁化反転層２０の大きさを１００ｎｍオーダーまで微細化することによって、磁化反転層２０の単磁区化を促進している。そして、以上によって、「０」，「１」の２値情報に対応する２つの安定した磁化状態を得ることができる。尚、磁気的安定性は、磁化反転層２０の単位体積当たりの磁気異方性エネルギーＫuで表される。スピン注入型磁気抵抗効果素子１０の有する磁気異方性エネルギーは、磁気異方性エネルギーＫuと、磁化反転層２０の体積Ｖとの積である。磁化反転層２０が単磁区で一軸異方性を有する場合、
Ｋu＝Ｍs・Ｈc／２
で表すことができる。ここで、Ｍsは、磁化反転層２０を構成する磁性材料の飽和磁化値であり、Ｈcは、磁化反転層２０を構成する磁性材料の保磁力である。
【００４４】
また、書込み電流（スピン注入磁化反転の臨界電流）は磁化反転層２０の体積Ｖに比例するため、実用的な書込み電流とするために、磁化反転層２０の長さＬ1を、１００ｎｍのオーダーまで小さくしている。但し、磁化反転層２０の体積Ｖが小さすぎると、上述した磁化反転層２０の磁気異方性エネルギーが減少し、メモリ素子としての信頼性を保つために必要な熱揺らぎ耐性が得られなくなる虞がある。実施例１にあっては、以上の条件、及び、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２の２つの磁化参照層３２，４２を磁化反転層２０の両端部分に配置することが必要であるため、磁化反転層２０の長さＬ1を１５０〜２００ｎｍとしている。
【００４５】
尚、熱揺らぎ耐性は、先に説明したとおり、Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔとして定義され、実用的には、Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ＞４０程度が必要とされる。
【００４６】
磁化参照層３２，４２の長さＬ2は、実施例１にあっては、５０〜７０ｎｍであり、磁化反転層２０の両端に収まるよう加工されている。磁化参照層３２，４２の加工時、その下に形成されている第１の反強磁性層３３及び第２の反強磁性層４３（以下、第１の反強磁性層３３及び第２の反強磁性層４３を総称して、反強磁性層３３，４３と呼ぶ場合がある）にまで加工が及んでも（図４のスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図における、矢印「Ｘ」で示す領域を参照）、問題はない。第１の磁化参照層３２と第１の反強磁性層３３との界面、及び、第２の磁化参照層４２と第２の反強磁性層４３との界面における交換結合により、磁化参照層３２，４２の磁化は一方向に固定されている。また、磁化参照層３２，４２の大きさを小さくすることで、磁化参照層３２，４２の単磁区化を促進している。これらにより、磁化参照層３２，４２内の磁化は一方向に揃い、良質なスピンフィルター、即ち、スピン注入源となる。磁化反転層２０と重複する磁化参照層３２，４２の部分内における磁化が一方向に揃いさえすれば、磁化参照層３２，４２の形状、大きさは、本質的に任意である。更には、磁化参照層３２，４２が反強磁性層３３，４３によって十分強く交換結合されている場合、磁化参照層３２，４２の形状異方性は必ずしも必要ではない。反強磁性層３３，４３は、磁化参照層３２，４２の全面と接触しており、反強磁性層３３，４３の大きさは、磁化参照層３２，４２の大きさと同じか、それよりも大きい。
【００４７】
また、図５の（Ａ）の概念図を示し、及び、図５の（Ｂ）に磁化反転層２０、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２等の模式的な配置図を示すように、磁化参照層３２，４２の端面が磁化反転層２０の端面と一致していなくともよく、磁化参照層３２，４２は、本質的に、任意の大きさ、形状とすることができる。但し、磁化反転層２０と重複する磁化参照層３２，４２の部分の磁化は一方向に揃っていることが必要とされるが故に、磁化参照層３２，４２を任意の形状、大きさとするためには、磁化参照層３２，４２は、反強磁性層３３，４３との間で交換結合されていることが望ましい。また、磁化参照層３２，４２の端面と、反強磁性層３３，４３の端面とは、一致していなくともよい。更には、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示した例に対して、図４に示した矢印「Ｘ」で示す領域の形態を適用することもできる。
【００４８】
磁化参照層３２，４２が単層膜の場合、磁化参照層３２，４２の膜厚は、１０ｎｍ程度とすることが望ましい。磁化参照層３２，４２と磁化反転層２０とが重複する領域の大きさが５０〜７０ｎｍ×５０ｎｍと小さいため、磁化参照層３２，４２の膜厚が数十ｎｍ程度、あるいはそれ以上に厚くなると、面内磁気異方性が低下すると共に、磁化参照層３２，４２の端部における反磁界が増加し、磁化参照層３２，４２の端部における磁化配列が乱れ易くなる。更には、磁化参照層３２，４２と反強磁性層３３，４３との間の交換結合磁界強度は、磁化参照層３２，４２の膜厚増加に反比例して減少するため、磁化参照層３２，４２の膜厚が厚くなるほど、磁化参照層３２，４２の内部（特に端部）の磁化を一方向に揃えることが困難となる。加えて、外乱磁界による磁化参照層３２，４２内の磁化の乱れも生じ易くなる。一方、磁化参照層３２，４２の膜厚が薄くなりすぎると、スピンフィルターとしての効果が減少するため、磁化参照層３２，４２が単層膜の場合、磁化参照層３２，４２にあっては、スピン拡散長程度の膜厚を確保しておくことが望ましい。スピン拡散長は、磁化参照層３２，４２を構成する磁性材料によって異なり、また、隣接あるいは近傍した膜の材料によっても変化する。従って、磁化参照層３２，４２の膜厚は、以上に説明した種々の条件を満足するように、使用する磁性材料、層構成を考慮して、適宜、決定する必要がある。
【００４９】
第１の磁化参照層３２と第２の磁化参照層４２との間の距離Ｌ3は、実施例１では、５０〜６０ｎｍ程度である。第１の磁化参照層３２と第２の磁化参照層４２とが物理的に分離していれば、第１の磁化参照層３２と第２の磁化参照層４２との間の距離Ｌ3は、本質的に、任意の値とすることができる。但し、接近しすぎると、第１の磁化参照層３２と第２の磁化参照層４２とが向き合う端部における磁極が反発し、第１の磁化参照層３２と第２の磁化参照層４２の磁化方向を乱す虞がある。即ち、互いに、一軸上で反平行に向くことが困難になる虞がある。磁極反発による磁化の乱れは、磁化参照層３２，４２の磁化を反強磁性層３３，４３との交換結合で固定することでかなり抑制できる。後述する実施例２において説明するように、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２のどちらか一方を、反強磁性的結合の積層フェリ構造とすれば、正味の磁化が極めて小さくなるため、より有効的である。
【００５０】
第１の積層構造の抵抗値は、例えば、２０ｋΩであり、情報の書込み／読出しのために、第１の電極３４と第２の電極４４との間に１ボルトを印加する場合、第１の積層構造に流れる電流は５０μＡである。実施例１にあっては、書込み電流Ｉcを数十μＡまで低減することができるため、第１の積層構造（より具体的には、第１の非磁性膜３１）の面積抵抗値Ｒ・Ａ（第１の非磁性膜３１の抵抗値×第１の非磁性膜３１の面積）を、数十Ω・μｍ2（例えば、５０Ω・μｍ2）に高めることができる。このような面積抵抗値Ｒ・Ａの値は、従来のスピン注入磁化反転が可能なＴＭＲ効果を有する積層構造における面積抵抗値Ｒ・Ａの値の約１０倍である。従って、絶縁障壁膜である第１の非磁性膜３１を過剰に薄くする必要が無くなり、第１の非磁性膜３１の電気的信頼性及び耐電圧を向上させることができ、更には、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造の信頼性の向上を図ることができ、しかも、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造の形成も容易になり、スピン注入型磁気抵抗効果素子１０の製造歩留りも向上する。面積抵抗値Ｒ・Ａの値が概ね５０Ω・μｍ2の絶縁材料から成る第１の非磁性膜３１の絶縁破壊電圧は、第１の非磁性膜３１を構成する絶縁材料及び膜質に依るが、例えば、ＡｌＯXから構成した場合、１．数ボルト程度であり、書込み／読出しのための印加電圧１ボルトといった値は、大容量メモリデバイスにおける書込み／読出し電圧として、十分に信頼性を維持できる電圧である。
【００５１】
尚、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造の信頼性は、極薄の第１の非磁性膜３１によってほぼ決まる。第１の積層構造の低抵抗化のためには第１の非磁性膜３１を薄くすることが必要とされ、それに伴い、第１の非磁性膜３１の絶縁破壊電圧が低下し、また、繰り返しの電流注入による第１の非磁性膜３１の劣化が顕著になる。本発明にあっては、書込み電流を減少させることができる結果、第１の非磁性膜３１の抵抗をより高くすることでき、従って、第１の非磁性膜３１の膜厚をより厚くすることができる。その結果、第１の非磁性膜３１の絶縁破壊電圧値も増加するため、相乗効果で、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造の信頼性が向上する。
【００５２】
また、第１の非磁性膜３１の高抵抗化、及び、読出し電流Ｉrを増加させることができるが故に、出力及びＳ／Ｎ比が向上する。従来、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造においてスピン注入磁化反転を行うためには、第１の非磁性膜３１の絶縁破壊を防ぐため、面積抵抗値Ｒ・Ａを１０Ω・μｍ2程度以下にすることが必要とされたが、実施例１にあっては、書込み電流を数十μＡ以下にすることができるため、面積抵抗値Ｒ・Ａを数十Ω・μｍ2程度にすることが可能となる。そして、読出し電流Ｉrの増加と相まって、出力電圧及びＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００５３】
第１の磁化参照層３２の磁化方向と、第２の磁化参照層４２の磁化方向とを逆方向（反平行）とするための一手段として、以下の方法を挙げることができる。即ち、例えば、ブロッキング温度（磁化参照層と、この磁化参照層に隣接した反強磁性層との間の交換結合が消失する温度）が異なる、第１の磁化参照層３２／第１の反強磁性層３３、第２の磁化参照層４２／第２の反強磁性層４３の組み合わせを用いる方法である。具体的には、例えば、第１の反強磁性層３３をＭｎ−Ｉｒから構成し、第２の反強磁性層４３をＰｔ−Ｍｎから構成すればよい。そして、交換結合を発現させるための磁場中熱処理の温度及び磁界方向を制御することで、冷却後の交換結合（一方向異方性）の方向を逆向き（反平行）にすることができる。あるいは又、後述する実施例２のように、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２の内のいずれか一方を、積層フェリ構造とすれば、積層フェリ構造を有していない磁化参照層の磁化方向と、積層フェリ構造を有している磁化参照層における磁化反転層２０に隣接していない層の磁化方向は、同じ方向となる一方、積層フェリ構造を有している磁化参照層における磁化反転層２０に隣接している層の磁化方向は、逆方向となる。尚、この場合には、反強磁性層３３，４３を構成する反磁性材料として、同じ反磁性材料を用いることができる。
【実施例２】
【００５４】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子が実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子と相違する点は、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方、具体的には、実施例２にあっては、第１の磁化参照層１３２が積層フェリ構造を有する点にある。実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子の一部分の概念図を図６の（Ａ）に示し、実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子における第１の磁化参照層１３２等の拡大された概念図を図６の（Ｂ）に示す。但し、第２の磁化参照層４２が積層フェリ構造を有する構成とすることもできる。
【００５５】
実施例２にあっては、第１の磁化参照層１３２は、より具体的には、第１強磁性材料層（スピンフィルター）１３２Ａ、非磁性スペーサ層１３２Ｂ、及び、第２強磁性材料層１３２Ｃの積層構造から構成されている。第１強磁性材料層１３２Ａは、一方の面が第１の非磁性膜３１と接しており、他方の面が非磁性スペーサ層１３２Ｂと接している。一方、第２強磁性材料層１３２Ｃは、一方の面が非磁性スペーサ層１３２Ｂと接しており、他方の面が第１の反強磁性層３３と接している。Ｒｕから成る非磁性スペーサ層１３２Ｂの厚さを０．８ｎｍ程度とすることで、第１強磁性材料層１３２Ａと第２強磁性材料層１３２Ｃとは、非磁性スペーサ層１３２Ｂを介して、反強磁性的な層間交換結合をする。尚、このような現象は、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittle-Kasuya-Yoshida）相互作用と呼ばれる。ここで、Ｒｕは、ＲＫＫＹ的相互作用が最も強く働く材料とされている。
【００５６】
第２強磁性材料層１３２Ｃと、第２強磁性材料層１３２Ｃとの界面近傍における第１の反強磁性層３３の磁化方向、及び、第２の磁化参照層４２と、第２の磁化参照層４２との界面近傍における第２の反強磁性層４３の磁化方向は、同じ方向（平行）である。即ち、強磁性材料層あるいは磁化参照層と反強磁性層との界面における交換結合による一方向異方性は、同じ向きである。一方、第２強磁性材料層１３２Ｃの磁化方向と第１強磁性材料層１３２Ａの磁化方向は、逆方向（反平行）である。
【００５７】
第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方を積層フェリ構造にすることで、磁場中熱処理後の第２強磁性材料層１３２Ｃの磁化方向と第１強磁性材料層１３２Ａの磁化方向とは必然的に逆向き（反平行）になるため、スピンフィルターとして機能する第１強磁性材料層１３２Ａの磁化方向と、第２の磁化参照層４２の磁化方向とは、自ずから、逆方向（反平行）となる。尚、この場合、第１の反強磁性層３３及び第２の反強磁性層４３は、同一の反強磁性層とすることができる。第１の磁化参照層、第２の磁化参照層のどちらを積層フェリ構造としてもよいが、ＴＭＲ効果を有する第１の積層構造を積層フェリ構造とすることが、経験的に、好ましいと云える。
【００５８】
積層フェリ構造を採用することで、２層の磁性層（第２強磁性材料層１３２Ｃ及び第１強磁性材料層１３２Ａ）の磁化が反強磁性的に結合するが故に、第２強磁性材料層１３２Ｃ及び第１強磁性材料層１３２Ａの端部における正味の磁極の発生が極めて少なくなる。これにより、第１強磁性材料層１３２Ａの端部における磁化の乱れ（磁化容易軸からのずれ）が事実上消失し、第１強磁性材料層１３２Ａ全面が良好なスピンフィルターとして機能する。また、第１の磁化参照層１３２と第２の磁化参照層４２との間の距離Ｌ3が短くなっても（接近しても）、片方の磁化が殆ど無くなるので、磁気的な反発、それによる磁化の乱れが生じ難い。更には、第１の磁化参照層１３２は全体としてほぼ反強磁性構造となっているため、第２の磁化参照層４２からの磁界、あるいは、外部磁界による影響を受け難い。層間交換結合磁界強度は、実施例１において説明した単層の第１の磁化参照層３２と第１の反強磁性層３３とにおける交換結合磁界強度より大きく、これによっても、第１強磁性材料層１３２Ａの単磁区化が強まる。
【００５９】
更には、積層フェリ構造とすることで、第１強磁性材料層１３２Ａや第２強磁性材料層１３２Ｃの膜厚を２ｎｍ〜３ｎｍと薄くすることができる。そして、膜厚が磁性層のスピン拡散長より小さくても、スピンフィルターとして機能し得る。第１の反強磁性層３３と接する第２強磁性材料層１３２Ｃの厚さを単層膜の場合（実施例１参照）のようにスピン拡散長より大きくしなくてもよいため、第２強磁性材料層１３２Ｃと第１の反強磁性層３３との間の交換結合により、第２強磁性材料層１３２Ｃに働く交換結合磁界を高く保つことができる。第２強磁性材料層１３２Ｃと第１の反強磁性層３３との間の交換結合磁界は、第２強磁性材料層１３２Ｃの膜厚に反比例するからである。尚、積層フェリ構造を形成する第１強磁性材料層１３２Ａ及び第２強磁性材料層１３２Ｃの膜厚が厚すぎると、偏極スピン電流の分極率を低下させる場合があるため、第１強磁性材料層１３２Ａ及び第２強磁性材料層１３２Ｃの膜厚は、２ｎｍ〜３ｎｍ程度であることが望ましい。
【００６０】
第１強磁性材料層１３２Ａの膜厚と、第２強磁性材料層１３２Ｃの膜厚とが同じ値である場合、積層反フェロ構造となるが、本質は変わらない。
【００６１】
第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方が静磁結合構造を有する構成とすることもできる。以下の説明においては、第１の磁化参照層が静磁結合構造を有するものとする。そして、これによっても、第１の磁化参照層１３２を構成する第１強磁性材料層１３２Ａの磁化方向と、第２強磁性材料層１３２Ｃの磁化方向とを逆方向（反平行）とすることができる。但し、静磁結合構造を有するものとする場合には、第１強磁性材料層１３２Ａの端面と第２強磁性材料層１３２Ｃの端面とが揃っていることが必要とされる。上述したＲＫＫＹ的層間交換結合は界面を通じての結合であるため、第１強磁性材料層１３２Ａの端面と第２強磁性材料層１３２Ｃの端面とがずれていても結合は生じる。静磁結合構造の場合、非磁性スペーサ層１３２ＢをＲｕから構成する必要はなく、任意の非磁性材料から構成することができる。通常、静磁結合構造に基づく反平行配列は、積層フェリ構造とは呼ばない。２層の磁性層の端面が近接している場合、積層フェリ構造は、静磁結合による反平行結合をも包含する。
【００６２】
実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子の変形例における第２の磁化参照層１４２等の拡大された概念図を図７に示す。この変形例にあっては、第２の磁化参照層１４２も積層フェリ構造を有する。ここで、第１の磁化参照層１３２は、第１強磁性材料層１３２Ａ／非磁性スペーサ層１３２Ｂ／第２強磁性材料層１３２Ｃの３層構成であるが、第２の磁化参照層１４２は、第１強磁性材料層１４２Ａ／第１非磁性スペーサ層１４２Ｂ／第２強磁性材料層１４２Ｃ／第２非磁性スペーサ層１４２Ｄ／第３強磁性材料層１４２Ｅの５層構成である。このような構成にすることで、第１の磁化参照層１３２を構成する第１強磁性材料層１３２Ａの磁化の方向と、第２の磁化参照層１４２を構成する第１強磁性材料層１４２Ａの磁化の方向とを、１回の磁場中熱処理により容易に反平行とすることができる。即ち、第１の磁化参照層１３２を構成する第２強磁性材料層１３２Ｃの磁化の方向と、第２の磁化参照層１４２を構成する第３強磁性材料層１４２Ｅの磁化の方向とを平行に保ちつつ、第１強磁性材料層１４２Ａと第１強磁性材料層１３２Ａの磁化方向を互いに逆向きにできる。第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層において、磁化反転層２０と第１の非磁性膜あるいは第２の非磁性膜を介して対向する強磁性材料層の磁化の方向が反平行であり、反強磁性層と接する強磁性材料層の磁化の方向が平行であるといった条件を満足する限り、第１の磁化参照層１３２を構成する層数、第２の磁化参照層１４２を構成する層数は、３層及び５層に限定されるものではない。
【００６３】
実施例２、あるいは、後述する実施例３、実施例４、あるいは、これらの実施例の各種変形例における第１の磁化参照層、第２の磁化参照層の構造に対して、図４あるいは図５の（Ａ）、（Ｂ）に示した実施例１の変形例を適用することもできる。
【実施例３】
【００６４】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子が、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子と相違する点は、第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２が、十分強い磁気異方性エネルギー（Ｋu・Ｖ）を有しており、第１の反強磁性層３３及び第２の反強磁性層４３が省略されている点にある。実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図を図８の（Ａ）に示す。
【００６５】
ここで、磁気異方性エネルギー（Ｋu・Ｖ）が「十分強い」とは、
（１）磁化反転層２０と重複する第１の磁化参照層３２及び第２の磁化参照層４２の部分においても、磁化方向が磁化反転層２０の磁化容易軸と平行であり得ること、即ち、磁化反転層２０の端部の反磁界に抗して、磁化参照層３２，４２が単磁区であること
（２）磁化参照層３２，４２の熱揺らぎ耐性に関して、Ｋu・Ｖ／ｋB・Ｔ＞４０を満足すること
を意味する。
【００６６】
このような、十分強い磁気異方性エネルギー（Ｋu・Ｖ）を有する磁化参照層３２，４２は、
（ａ）磁化参照層３２，４２における形状磁気異方性、及び／又は、結晶磁気異方性を高める。
（ｂ）磁化参照層３２，４２を構成する磁性材料の飽和磁化を大きくする。
（ｃ）磁化参照層３２，４２の大きさを１００ｎｍオーダーとする。
等の手段によって、達成することが可能となる。
【００６７】
反強磁性層３３，４３が存在しない場合に第１の磁化参照層３２の磁化方向と第２の磁化参照層４２の磁化方向とを反平行とするためには、例えば、以下の方法を採用すればよい。即ち、厚さｔ1の第１の磁化参照層３２と、厚さｔ2の第２の磁化参照層４２を形成する。但し、ｔ2の値はｔ1と等しくなく、より具体的には、ｔ1＞ｔ2とする。第１の磁化参照層３２を構成する磁性材料と、第２の磁化参照層４２を構成する磁性材料とは、同じとすることができる。磁化参照層３２，４２のそれぞれの保磁力Ｈc1，Ｈc2は、磁化参照層３２，４２を構成する磁性材料の飽和磁化Ｍ1s，Ｍ2sと、磁化参照層３２，４２の膜厚ｔ1，ｔ2の積で表される。ここで、Ｈc1＞Ｈc2としたとき、Ｈ＞Ｈc1（＝Ｍ1s・ｔ1）の磁界を左向きに磁化参照層３２，４２に加える。これによって、磁化参照層３２，４２の磁化の方向は、図８の（Ｂ）に示すように、左向きとなる。次いで、Ｈc1＞Ｈ’＞Ｈc2（＝Ｍ2s・ｔ2）の磁界を右向きに磁化参照層３２，４２に加えることで、磁化参照層３２の磁化の方向は、図８の（Ｃ）に示すように、左向きのままであるが、磁化参照層４２の磁化の方向は、図８の（Ｃ）に示すように、右向きとなる。こうして、第１の磁化参照層３２の磁化方向と第２の磁化参照層４２の磁化方向とを反平行とすることができる。
【００６８】
また、実施例２において説明したと同様に、スピン注入型磁気抵抗効果素子の一部分の概念図を図９の（Ａ）に示し、スピン注入型磁気抵抗効果素子における第１の磁化参照層２３２等の拡大された概念図を図９の（Ｂ）に示すように、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の内のいずれか一方が積層フェリ構造を有する構成とすれば（図示した例では、第１の磁化参照層２３２が積層フェリ構造を有する）、第１の磁化参照層２３２及び第２の磁化参照層４２を共に飽和させることができる磁界を第１の磁化参照層２３２及び第２の磁化参照層４２に加えるだけで、第１の磁化参照層２３２を構成する第１強磁性材料層（スピンフィルター）２３２Ａの磁化方向と、第２の磁化参照層４２の磁化方向とは、反平行となる。尚、第２強磁性材料層２３２Ｃの磁化方向と、第２の磁化参照層４２の磁化方向とは平行である。この際、第１強磁性材料層（スピンフィルター）２３２Ａの飽和磁化をＭ1As、膜厚をｔ1A、第２強磁性材料層２３２Ｃの飽和磁化をＭ1Cs、膜厚をｔ1Cとしたとき、
Ｍ1Cs・ｔ1C＞Ｍ1As・ｔ1A
を満足することが必要とされる。
【００６９】
積層フェリ構造を採用することで、実施例２で述べたと同様の種々の効果を得ることができる。尚、第１の磁化参照層２３２における第１強磁性材料層（スピンフィルター）２３２Ａの端面と、第２強磁性材料層２３２Ｃの端面が揃っていれば、静磁結合に基づき、反平行配列を実現することができ、この場合には、非磁性スペーサ層２３２Ｂを構成する材料は、Ｒｕに限定されず、任意の非磁性材料とすることができる。
【実施例４】
【００７０】
実施例４も、実施例１の変形である。実施例４のスピン注入型磁気抵抗効果素子が、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子と相違する点は、第１の磁化参照層３３２は積層フェリ構造（反強磁性的結合）を有し、第２の磁化参照層３４２は積層フェロ構造（強磁性的結合）を有する点にある。実施例４のスピン注入型磁気抵抗効果素子における第１の磁化参照層３３２等の拡大された概念図を図１０の（Ａ）に示し、第２の磁化参照層３４２等の拡大された概念図を図１０の（Ｂ）に示す。
【００７１】
ＲＫＫＹ的層間交換結合強度（符号及び強度）は、Ｒｕから成る非磁性スペーサ層３３２Ｂ，３４２Ｂの厚さに対して振動的に変化し、非磁性スペーサ層３３２Ｂ，３４２Ｂの厚さによって、第１の磁化参照層３３２を構成する第１強磁性材料層（スピンフィルター）３３２Ａと第２強磁性材料層３３２Ｃとの結合状態を制御することができ、非磁性スペーサ層３４２Ｂの厚さによって、第２の磁化参照層３４２を構成する第１強磁性材料層（スピンフィルター）３４２Ａと第２強磁性材料層３４２Ｃとの結合状態を制御することができる。具体的には、反強磁性的結合とする場合には、Ｒｕから成る非磁性スペーサ層の厚さを、０．７ｎｍ〜０．８ｎｍとし、強磁性的結合とする場合には、Ｒｕから成る非磁性スペーサ層の厚さを、０．４ｎｍ〜０．５ｎｍ、あるいは又、１．数ｎｍとすればよい。尚、正確な膜厚は実験により決定すればよい。
【００７２】
第１の磁化参照層３３２を積層フェリ構造（反強磁性的結合）とし、第２の磁化参照層３４２を積層フェロ構造（強磁性的結合）とすることによっても、第１の磁化参照層３３２を構成する第１強磁性材料層（スピンフィルター）３３２Ａの磁化方向と、第２の磁化参照層３４２を構成する第１強磁性材料層（スピンフィルター）３４２Ａの磁化方向とを反平行とすることができる。
【００７３】
尚、第１の電極３４及び第２の電極４４を、第１の磁化参照層３３２及び第２の磁化参照層３４２に直接、接続した構造を示したが、このような構造を、実施例１〜実施例３にも適用することができる。
【００７４】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した各種の積層構造、使用した材料等は例示であり、適宜、変更することができる。各実施例においては、第３の電極が最上層に位置する構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子を説明したが、各層の積層順序を逆とし、第３の電極が最下層に位置する構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子とすることもできる。更には、第３の電極を省略した構成、構造のスピン注入型磁気抵抗効果素子とすることもでき、このような構成、構造とすることで、例えば図１１の（Ａ）に示した従来のスピン注入型磁気抵抗効果素子と比較して、スピン注入磁化反転の効率向上を図ることができる。また、実施例においては、磁化の方向として、第１の方向と第２の方向が互いに離れる方向としたが、これとは逆に、第１の方向と第２の方向を互いに近づく方向とすることもできる（磁化配列としては相対的に等価である）。
【００７５】
実施例にあっては、スピン注入型磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに適用した例を説明したが、本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子を、電流センサーや電圧センサーに適用することができる。
【００７６】
本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子を、例えば、３値の電流センサーに適用する場合、第１の電極３４及び第２の電極４４を、電流センサーのプローブとして用いる。そして、電流測定前に、スピン注入型磁気抵抗効果素子の磁化反転層２０に、予め、例えば、情報「０」を記録しておく。第１の電極３４及び第２の電極４４との間に流れる電流（電流センサーによって検出すべき電流）の値を、「ｉ」とする。また、第３の電極５１に何ら電圧を印加しない場合の書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）をＩ’c、第３の電極５１に電圧を印加した場合の書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）をＩc（＜Ｉ’c）とする。そして、第３の電極５１への電圧の印加の有無に応じて、以下の表１に掲げるように、磁化反転層２０に記憶される情報が変化し、あるいは、変化しない。このように、第３の電極５１への電圧の印加のタイミングと、磁化反転層２０に記憶された情報の読出しのタイミングと、電流検出のタイミングとを調整することで、検出電流ｉの値が、ｉ＜Ｉcであるか、Ｉc≦ｉ＜Ｉ’cであるか、Ｉ’c≦ｉであるかを、検出することができる。
【００７７】
2006269885.tif 000003
【００７８】
また、本発明のスピン注入型磁気抵抗効果素子を、例えば、２値の電圧センサーに適用する場合、第３の電極５１を、電圧センサーのプローブとして用いる。そして、電流測定前に、スピン注入型磁気抵抗効果素子の磁化反転層２０に、予め、例えば、情報「０」を記録しておく。第３の電極５１に印加される検出すべき電圧を「ｖ」とする。また、第３の電極５１に「Ｖ3」（＜０）を越える電圧が印加された場合の書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）をＩ’c、第３の電極５１に「Ｖ3」以下の電圧が印加された場合の書込み電流（即ち、スピン注入磁化反転の臨界電流）をＩc（＜Ｉ’c）とする。そして、第１の電極３４と第２の電極４４との間に、電流Ｉ（Ｉc＜Ｉ＜Ｉ’c）を流した状態で、検出すべき電圧を第３の電極５１に印加した後、磁化反転層２０に記録された情報を読み出す。情報が「０」の場合、ｖ＞Ｖ3であると判断することができるし、情報が「１」の場合、ｖ≦Ｖ3であると判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１の（Ａ）は、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図であり、図１の（Ｂ）は、磁化反転層、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の模式的な配置図である。
【図２】図２は、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子の等価回路である。
【図３】図３は、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。
【図４】図４は、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子の変形例の概念図である。
【図５】図５の（Ａ）は、実施例１のスピン注入型磁気抵抗効果素子の別の変形例の概念図であり、図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）に示した磁化反転層、第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の模式的な配置図である。
【図６】図６の（Ａ）は、実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子の一部分の概念図であり、図６の（Ｂ）は、実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子における第１の磁化参照層等の拡大された概念図である。
【図７】図７は、実施例２のスピン注入型磁気抵抗効果素子の変形例における第２の磁化参照層等の拡大された概念図である。
【図８】図８の（Ａ）は、実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図であり、図８の（Ｂ）及び（Ｃ）は、実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子において、第１の磁化参照層の磁化方向と第２の磁化参照層の磁化方向とを反平行とする方法を説明するための第１の磁化参照層及び第２の磁化参照層の模式図である。
【図９】図９の（Ａ）は、実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子の変形例の一部分の概念図であり、図９の（Ｂ）は、実施例３のスピン注入型磁気抵抗効果素子の変形例における第１の磁化参照層等の拡大された概念図である。
【図１０】図１０の（Ａ）は、実施例４のスピン注入型磁気抵抗効果素子における第１の磁化参照層等の拡大された概念図であり、図１０の（Ｂ）は、実施例４のスピン注入型磁気抵抗効果素子における第２の磁化参照層等の拡大された概念図である。
【図１１】図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、スピン注入磁化反転を適用した従来の不揮発性磁気メモリ素子の概念図、及び、磁化反転層の模式的な平面図であり、図１１の（Ｃ）は、スピン注入磁化反転を適用した従来の不揮発性磁気メモリ素子において、磁化参照層の磁化方向が反強磁性層との交換結合により固定されている状態を示す模式図であり、図１１の（Ｄ）は、ダブル・スピンフィルター構造を有する不揮発性磁気メモリ素子の概念図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０・・・スピン注入型磁気抵抗効果素子、１１・・・選択用トランジスタ、２０・・・磁化反転層、２０Ａ・・・第１面、２０Ｂ・・・第２面、３１・・・第１の非磁性膜、３２，１３２，２３２，３３２・・・第１の磁化参照層、３３・・・第１の反強磁性層、３４・・・第１の電極、４１・・・第２の非磁性膜、４２，３４２・・・第２の磁化参照層、４３・・・第２の反強磁性層、４４・・・第２の電極、５０・・・絶縁膜、５１・・・第３の電極、６１・・・第１の電源、６２・・・第２の電源、６３・・・スイッチング素子、１３２Ａ，２３２Ａ，３３２Ａ，３４２Ａ・・・第１強磁性材料層（スピンフィルター）、１３２Ｂ，２３２Ｂ，３３２Ｂ，３４２Ｂ・・・非磁性スペーサ層、１３２Ｃ，２３２Ｃ，３３２Ｃ，３４２Ｃ・・・第２強磁性材料層、１０１・・・シリコン半導体基板、１０２・・・素子分離領域、１０３・・・ゲート絶縁膜、１０４・・・ゲート電極、１０５・・・ソース／ドレイン領域、１０６，１０８・・・層間絶縁層、１０７，１０９Ａ，１０９Ｂ・・・コンタクトプラグ
【図１】
2006269885.tif 000004
【図２】
2006269885.tif 000005
【図３】
2006269885.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006269885.tif 000010
【図８】
2006269885.tif 000011
【図９】
2006269885.tif 000012
【図１０】
2006269885.tif 000013
【図１１】
2006269885.tif 000014